探讨隔水岩柱对奥灰突水的影响

赵丹

摘 要：隔水层是指不透水的胶结致密、完整的坚硬岩层。奥陶系峰峰组灰岩含水层顶部到太原组最下一层可采煤层底顶间的岩层岩性一般以泥岩、砂质泥岩和铝质泥岩为主，细砂岩、石灰岩为辅，可作为隔水层，其隔水能力直接与隔水层岩石的厚度、岩性和构造等因素有关，直接影响上覆煤层的安全开采。以山西沁水煤田南部襄垣研究区为例，分析、探讨了隔水岩柱对奥灰突水的影响，这对防治地下水害、井下煤层安全带压开采具有重要的意义。

关键词：富水性；含水层岩性；单位涌水量；渗透系数

中图分类号：TD741 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.11.097

山西省沁水煤田是山西省六大煤田之一，其南部煤田面临的最大问题就是各煤层带压开采，而主采15号煤层奥灰带压开采是矿井水害防治的重点。以襄垣县以东为研究区，根据各煤层隔水岩柱厚度、空间分布规律、隔水岩柱的力学性质和岩性组合特征，分析其对奥陶系灰岩含水层突水的影响。

1 奥灰隔水岩柱的厚度

判断隔水岩柱的厚度变化情况，利用研究区内的钻孔进行对比、统计和分析是很好的方法。

研究区内共施工41个钻孔，绝大部分钻至15-2号煤下15 m即终孔，少数至O2f15 m结束。研究区及其周围包括水文孔在内，实际穿过整个煤系地层进入奥陶系灰岩的钻孔有18个。据统计，3号煤层底板至奥灰顶面隔水层厚度为98.335～155.116 m，15-2号煤层底板至奥灰顶面隔水层厚度为14.85～45.20 m。

2 奥灰隔水岩柱的空间分布和组合关系

隔水岩柱的空间分布规律是区内作用构造的真实写照。受区内主要三组大体平行、接近南北向、宽缓的褶曲构造的影响，本区隔水岩柱总体为向西倾斜，总体上隔水岩柱标高东高西低，倾角一般15°～25°。

该区3号、15-1号、15-2号煤层底板奥灰隔水岩柱组合，即各煤层底板至奥陶系灰岩顶面的岩层，该岩性组合为一套海陆交互相的含煤沉积。岩性以泥岩、砂岩、铝质泥岩、石灰岩和薄煤层为特征。整个岩层软硬相间，主要是由硬脆性的砂岩、柔性的泥岩和可溶性的石灰岩等三类岩石组成。但是，其受沉积环境和后期构造的影响，在岩性变化上，介于砂岩和泥岩之间的有泥质砂岩，不同部位的岩层厚度比例也各不相同。

该区本溪组上部为灰色泥岩、砂质泥岩，含星散状黄铁矿，产植物碎片化石；下部为深灰色、灰色铝土质泥岩夹砂质泥岩，具块状层理、水平层理和透镜状层理，并时见菱铁矿、黄铁矿和赤铁矿透镜体。该组厚3.33～39.50 m，平均厚度为17.89 m，

平行不整合于峰峰组之上，其地层具有良好的隔水性能。

太原组主要是由粗粒砂岩（局部含砾或巨粒砂岩）、中粒砂岩、细粒砂岩、粉砂岩，砂质泥岩、泥岩、石灰岩和煤层组成。其有石灰岩5层，下部灰岩稳定，往上稳定性渐差，下部煤层比上部煤层稳定。该组砂体普遍发育，但是，中部砂体发育好，厚度大并且稳定，层理类型复杂，沉积环境交替频繁，厚度为52.93～143.35 m，平均厚度105.97 m。

山西组主要由泥岩、砂岩、砂质泥岩和煤层组成。砂岩不稳定，常呈似层状或透镜状，厚23.20～68.34 m，平均厚度为46.38 m。

综上所述，各煤层以下至奥陶系顶面隔水岩柱地层有：本溪组，平均厚度17.89 m；太原组，平均厚度105.97 m；山西组，平均厚度46.38 m。岩性主要为泥岩，其次是石灰岩、砂岩层和煤层煤线。

3 底板岩石隔水性能与力学性质分析

在区内ZK1-7号、ZK13-3号和ZK16-5号孔中采取了顶底板岩石力学样。另外，根据代表性矿区各类岩石抗压强度和隔水能力的测试成果可知，柔性岩石隔水性强，但其抗压强度小，刚性岩石则相反。一般柔性岩石的等效抗压强度系数约是刚性砂岩、灰岩的0.5～0.7倍，而刚性岩石的等效隔水系数约是泥岩的0.4倍，具体数据如表1所示。

表1 换算岩层等效隔水系数及抗压强度表

岩性 等效隔水系数 试验抗压强度/（MPa/m）

无岩溶化灰岩、泥灰岩 1.3 0.10

泥岩、泥灰岩、黏土、页岩 1.0 0.05

褐煤 0.7

砂页岩 0.8 0.07

砂岩 0.4 0.10

3.1 隔水底板硬软岩组合研究

隔水底板隔水能力和抗压强度与地层组合有比较大的关系。区内15-2号煤层底板至奥灰岩层的平均厚度为27.39 m，岩层组合以泥岩、铝质泥岩为主，占81.44%；其次为细砂岩，占17.56%；软岩与硬岩比值约为4.59∶1.这种软、硬岩互层的地质结构对提高煤层底板隔水能力比较有利，但是，对抗压强度较为不利。

3.2 底板隔水能力和抗压强度

根据标准岩石等效抗压强度和等效隔水系数换算，3号煤底板等效泥岩隔水层的厚度为47.12 m，它的总体抗压强度为3.31 MPa。3号煤层相对于勘查区底板奥灰水压2.93～7.97 MPa来说偏低，而且区内除了ZK8-10以外，所有钻孔3号煤底板奥灰水压均大于3.76 MPa。15号煤底板等效泥岩隔水层厚度为26.39 m，总体抗压强度约为1.55 MPa，相对于区内底板奥灰水压2.93～7.97 MPa来说更低。由此可见，该区下组煤的开采普遍受奥灰突水的威胁。

4 隔水岩柱对奥灰突水的影响

4.1 矿井突水机理

在天然状态下，煤系岩体处于平衡状态，煤层下伏和上覆含水层中的地下水受岩性、地貌、构造和溶蚀作用的控制，呈自然流动状态。在煤层开采过程中，岩体应力平衡遭到破坏，为了达到新的平衡，会出现顶板垮落、鼓底等一系列工程地质现象。底板底鼓和顶板垮落会使改变含水层天然流场，在导通或有足够水量的情况下，地下水就会沿导水裂隙带涌入坑道，形成突水危害。

导水裂隙带和垮落带会破坏含水层，出现漏水通道，这样赋存在煤层上覆的地下水就会渗入矿井。当煤矿采用全部垮落法采煤时，会出现顶板破坏和涌水的情况，在采空区上方形成裂隙带和垮落带。如果裂隙带到达地表后，会沟通地表水。

出现底板被破坏和涌水的情况，是含水层水压、隔水层厚度和导水裂隙等因素共同作用的结果。根据煤矿试验资料可知，按煤层底板变形和破坏程度的不同，可将煤层底板以下至含水层部位分成3个带，即直接底板采动裂隙带、中间弹塑性变形带和地下水导升裂隙带。

在矿压、水压的联合作用下，当水压强度大于底板岩层有效隔水层厚度和物理力学指标时，地下水就会沿岩层溶蚀地带（比如断层破碎带、裂隙发育带）涌入矿井。常见的是奥陶系岩溶水，即该区主要的突水威胁。

影响奥灰含水层突水的因素主要有：底板抗压强度与隔水能力；隔水底板软硬岩组合；底板构造发育程度；矿压扰动与有效隔水层厚度；底板下伏奥灰水压分布；奥灰含水层富水性与上部充填带岩溶发育程度。

4.2 底板构造发育程度

井田内在东南部发育了一条逆断层，据ZK6-4钻孔控制情况可知，断距约80 m，为逆断层，其余地段未见断距大于30 m的断层、陷落柱和滑塌构造。由于受采动的影响，地应力重新分布，因此，在未来煤层开采的过程中，不能排除奥灰水会通过构造的薄弱部位上升，进而诱发突水事故。

4.3 奥灰含水层富水性

奥灰富水性是影响突水量的重要因素。在垂向上，奥陶系灰岩岩溶发育程度对突水危险性的影响比较大；在平面上，在富水性大的地段，发生突水时的突水量也比较大。

区内水文孔有4个，其中，2个钻孔揭露上马家沟组，单位涌水量为0.008 3～0.021 8 L/s·m。峰峰组含水层岩溶裂隙愈发育，含水也丰富。

5 结束语

综上所述，本文分析了煤层底板岩石的隔水性能和力学性质，由此可知，区内底板岩层具有较好的阻水、抗水压能力。由于区内15号煤层底板突水系数普遍大于临界值0.10 MPa/m，不能排除开采15号煤层时出现突水的可能，所以，应在坚持“预测预报、有掘必探，先探后掘、先治后采”的原则下，采取必要的防水措施，安全开采。因此，岩溶发育地区的水压不容忽视，特别是在构造发育区，应引起高度重视。

〔编辑：白洁〕